羅恒，王優(yōu)強(qiáng)，張平

（1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

切削零件表面是零件與外界或其他零件相接觸的交界面，承受著外界載荷和環(huán)境的作用，材料的硬化、粘結(jié)、腐蝕等都與之有關(guān)，因此優(yōu)化切削加工工藝，根據(jù)零件應(yīng)用工程環(huán)境來(lái)選擇、控制或優(yōu)化零件表面完整性就顯得尤為重要[1-4]。

1964年，在美國(guó)金屬切削研究協(xié)會(huì)召開(kāi)的一次技術(shù)座談會(huì)上，F(xiàn)ield等[2]首次提出了“表面完整性”的概念，定義為：由受到可控制加工方法的影響，導(dǎo)致成品中表面狀態(tài)沒(méi)有任何損傷或有所強(qiáng)化的結(jié)果。1976年，Liu等[5]給出了比較直觀的定義：表面完整性通?？捎闷淞W(xué)、冶金學(xué)、化學(xué)和表面形貌狀態(tài)等來(lái)定義。自此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)切削表面完整性進(jìn)行了研究。高尚等[4]研究了不同粒徑金剛石砂輪磨削石英玻璃的表面質(zhì)量，以完成石英玻璃高效、低損傷和超精密磨削。陳鑫等[5]基于Salomon及高速磨削理論，對(duì)齒輪材料進(jìn)行磨削加工試驗(yàn)，得出磨削加工中的磨削參數(shù)對(duì)表面完整性的影響規(guī)律。Dahlman等[6]用PCBN刀具車(chē)削淬硬鋼AISI 52100，觀測(cè)到加工表面為拉應(yīng)力，但表層以下均為殘余壓應(yīng)力。Bashir等[7]進(jìn)行了切削參數(shù)對(duì)淬火工具鋼表面完整性影響的試驗(yàn)研究，研究表明：在較高的切削速度（210 m/min）下，表面完整性相對(duì)較好。切削速度越快，表面完整性越高，而在較低的進(jìn)給速度下，表面完整性一般也越好。

7A09鋁合金因具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的可塑性、較高的耐蝕性，故近年來(lái)已愈來(lái)愈多地取代模鍛零件，從而大大地減少了航空器的本體重量及其材料的強(qiáng)度損失，同時(shí)也使航空器的制造工藝得到了一定程度上的簡(jiǎn)化[8-11]。目前，對(duì)該材料的研究多集中于熱處理制度、焊接性能、耐腐蝕性能等方面[12-16]，尚缺乏對(duì)7A09鋁合金在切削加工中表面完整性變化的探究。故本文采用單因素法對(duì)7A09鋁合金進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，以此得出切削用量對(duì)表面完整性的影響規(guī)律，為航空鋁合金平面銑削表面完整性的研究提供理論依據(jù)，可對(duì)航空鋁合金切削工藝的探究提供一定的借鑒。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本試驗(yàn)所用材料為7A09鋁合金軋制態(tài)板材，其所含成分見(jiàn)表1。軋制板材經(jīng)過(guò)470 ℃/45 min固溶處理后，再經(jīng)過(guò)T6時(shí)效處理（150 ℃/15 h，水淬），其熱處理后的力學(xué)性能如表2所示，并用線切割截取130 mm×130 mm×30 mm 的長(zhǎng)方體試件，用于銑削加工試驗(yàn)。

表1 7A09鋁合金的組成成分Tab.1 Composition of 7A09 aluminum alloy wt/%

表2 7A09鋁合金的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 7A09 aluminum alloy

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)在KVC800-1型數(shù)控加工中心上進(jìn)行，刀具采用刀桿+刀片的組合形式，如圖1a所示，立銑刀桿為 EAP300R-C16-18-150-2T型，刀片則采用 1135（R0.8）型。因切削液傳統(tǒng)的冷卻、潤(rùn)滑和排屑等作用，在很多加工過(guò)程中，尤其是高速切削中，得不到充分而有效的發(fā)揮，且加工過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使切削液形成霧狀揮發(fā)，污染環(huán)境并威脅操作者的身體健康。鑒于此，本試驗(yàn)的銑削方式選為順銑干切削。圖1b為7A09鋁合金的銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

1.3 方案

在精加工和半精加工中，常常采用較小的銑削深度和每齒進(jìn)給量，為了提高加工表面質(zhì)量，硬質(zhì)合金刀具則采用較高的銑削速度（一般為80～100 m/min以上）。對(duì)于硬質(zhì)合金銑刀，由于刀片經(jīng)受沖擊載荷，刀片易破損，故同樣強(qiáng)度的硬質(zhì)合金刀片允許的fz比車(chē)削時(shí)小，一般取fz=0.10～0.35 mm。故本文選取如表3所示的試驗(yàn)方案，分別改變銑削速度（160～320 m/min）、每齒進(jìn)給量（0.1～0.18 mm/z）和銑削深度（0.05～0.25 mm），可得各切削參數(shù)下殘余應(yīng)力和表面粗糙度的變化規(guī)律。

表3 銑削試驗(yàn)方案Tab.3 Milling test program

1.4 表面完整性的檢測(cè)方案

工件的表面粗糙度和表面形貌采用美國(guó)KLA-Tencor公司生產(chǎn)的 MicroXAM-800非接觸式三維表面輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)。由于銑削加工的對(duì)象為一個(gè)平面，且隨銑刀頭的切入切出，以及在邊緣處的斷續(xù)切削，使得在整個(gè)加工平面范圍內(nèi)的表面質(zhì)量并不相同。故本文在整個(gè)銑削平面內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)定點(diǎn)，來(lái)獲得其表面粗糙度值，并求取平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，用以繪制誤差棒變化曲線，同時(shí)也可得到工件的三維輪廓圖片。

將銑削加工后的工件冷卻至室溫，隨后將工件放入盛有丙酮的超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，然后采用芬蘭Stresstech公司生產(chǎn)的Xstress3000 X射線應(yīng)力分析儀來(lái)檢測(cè)工件表面及其表層的殘余應(yīng)力值。Xstress3000應(yīng)力儀的衍射幾何采用改善的y衍射幾何系統(tǒng)，它由兩個(gè)對(duì)稱的探測(cè)器從兩個(gè)相反的方向來(lái)記錄衍射信號(hào)，每個(gè)探測(cè)器獨(dú)立使用且互相關(guān)聯(lián)，并以此來(lái)定峰，所以檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2 結(jié)果及分析

2.1 切削用量對(duì)表面粗糙度的影響

表面粗糙度即微觀幾何形狀偏差，指在切削加工中，由于刀具和工件之間的擠壓和摩擦、切屑和工件分離時(shí)產(chǎn)生的塑性變形及加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)等因素，在工件已加工表面產(chǎn)生凸峰和凹谷等微觀現(xiàn)象。而表面粗糙度的特征與切削用量密切聯(lián)系。圖2展示了切削用量對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。

因7A09鋁合金為塑性材料，故在切削速度較低時(shí)，極易產(chǎn)生鱗刺與積屑瘤，致使工件已加工面的表面粗糙度值都偏大。而當(dāng)切削速度較高時(shí)，則能較好地抑制鱗刺與積屑瘤，從而降低已加工面的表面粗糙度值。圖2a為表面粗糙度值隨銑削速度變化的曲線，當(dāng)銑削速度vc＞240 m/min時(shí)，積屑瘤消失，工件表面粗糙度值下降并穩(wěn)定在 0.49處，基本不再發(fā)生改變。

減小每齒進(jìn)給量，不僅能降低銑削加工殘余材料的間距，還能抑制積屑瘤的出現(xiàn)，故其能有效地減小已加工表面的粗糙度值，但銑削力對(duì)每齒進(jìn)給量的變化較為敏感，銑削過(guò)程中伴隨有刀具的振動(dòng)，因而表面粗糙度值不會(huì)無(wú)限制地降低。圖2b為表面粗糙度值隨每齒進(jìn)給量變化的影響曲線，可得當(dāng)每齒進(jìn)給量增大時(shí)，表面粗糙度值也在持續(xù)增加，由值由0.412 μm升高到0.795 μm，變化幅度最大。

圖2c為表面粗糙度值隨銑削深度變化的曲線，可知當(dāng)銑削深度從0.05 mm增大為0.25 mm時(shí)，其表面粗糙度值在0.722～0.798 μm之間起伏變化，且變化幅度較小，即表面粗糙度對(duì)銑削深度的敏感性較低。但當(dāng)銑削深度過(guò)小時(shí)，會(huì)形成額外的塑性變形，致使表面粗糙度值增大，即圖2c中銑削深度為0.05 mm處的表面粗糙度值為 0.798 μm，明顯高于其他銑削深度處的表面粗糙度值。

2.2 工件表面形貌

在切削過(guò)程中，表面形貌與表面的功能特性和零件的使用性能密切相關(guān)。一方面，表面形貌直接影響著零件表面的摩擦、潤(rùn)滑、配合等結(jié)合面的功能特性；另一方面，表面形貌對(duì)零件的磨損和腐蝕等使用性能具有顯著的影響。所以表面形貌的探究在機(jī)械加工領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。

因?yàn)殇X合金屬于塑性金屬，故在切削加工時(shí)，會(huì)在接近刀刃及刀尖的前刀面上出現(xiàn)積屑瘤，且積屑瘤的硬度較高，能夠替代刀刃進(jìn)行切削加工。因積屑瘤會(huì)伸出刀尖和刀刃以外，致使其出現(xiàn)過(guò)切量δ（見(jiàn)圖3a），且積屑瘤的形狀并不規(guī)則，故刀刃上各點(diǎn)的過(guò)切量也不相同，使得工件的已加工表面上出現(xiàn)一些深度和寬度各不相同的縱向犁溝。雖然切削刃的不平整也會(huì)導(dǎo)致犁溝的產(chǎn)生，但與積屑瘤相比，其所產(chǎn)生的犁溝較淺。由圖3b—d可得，銑削加工后工件表面出現(xiàn)較深的犁溝，沿切削進(jìn)給方向，加工表面存在的波峰和波谷都在一定的范圍內(nèi)起伏變化，呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。故該現(xiàn)象也印證了本試驗(yàn)中積屑瘤的存在。

2.3 切削用量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

2.3.1 銑削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖4是不同銑削速度對(duì)表面和表層殘余應(yīng)力的影響曲線。由圖4a可得，當(dāng)銑削速度增加時(shí)，已加工表面的殘余應(yīng)力變化曲線并無(wú)顯著的單調(diào)性。在銑削速度由160 m/min增加為240 m/min時(shí)，其表面殘余應(yīng)力曲線呈現(xiàn)出直線下降的趨勢(shì)。而銑削速度在240～280 m/min之間時(shí)，表面殘余應(yīng)力值又呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，后又隨速度的增大開(kāi)始下降。在整個(gè)銑削速度范圍內(nèi)，僅160 m/min時(shí)為殘余拉應(yīng)力，其余各速度下均為殘余壓應(yīng)力。此現(xiàn)象可用熱效應(yīng)在殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程中的影響來(lái)解釋。當(dāng)銑削速度vc＜ 240 m/min時(shí)，因銑削速度較低，導(dǎo)致切屑散熱速度較慢，較高的熱量傳遞到工件表面，引起表面殘余壓應(yīng)力的增加；而當(dāng)銑削速度較大時(shí)，材料去除速率增加，切屑以及與其相關(guān)的熱量在切割區(qū)域保持更短的時(shí)間，因此加工表面的散熱率降低，導(dǎo)致表面殘余壓應(yīng)力降低。因銑削速度持續(xù)增加使得刀具與工件、切屑間產(chǎn)生劇烈摩擦，并產(chǎn)生大量熱量，致使表面殘余壓應(yīng)力又呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖4b為不同銑削速度對(duì)表層殘余應(yīng)力的影響曲線。由圖4b可知：各銑削速度下，其殘余應(yīng)力曲線基本相同，均呈“勺”形分布。在工件表面以下很小的區(qū)域內(nèi)，殘余應(yīng)力具有較大的梯度下降，主要是因?yàn)椋弘S著銑削速度的增大，盡管切削力會(huì)減小，但單位時(shí)間內(nèi)刀具與工件的碾壓、摩擦力作用加劇等因素，使其接觸表面產(chǎn)生大量的切削熱，進(jìn)而在表面層產(chǎn)生較大的犁耕力，造成表面、里層的殘余應(yīng)力均有所增大。由局部放大圖可得：當(dāng)銑削速度在 200～320 m/min之間時(shí)，其殘余應(yīng)力值隨銑削速度的增大而增大，但在160 m/min時(shí)，工件獲得了最大殘余拉應(yīng)力，為27.73 MPa。

2.3.2 每齒進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖5是不同每齒進(jìn)給量對(duì)表面和表層殘余應(yīng)力的影響曲線。由圖5a可得，已加工表面殘余應(yīng)力對(duì)每齒進(jìn)給量的變化較為敏感，隨每齒進(jìn)給量的增加，表面殘余應(yīng)力的變化曲線為鋸齒狀，僅在0.12 mm/z時(shí)表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，其余各進(jìn)給量下皆為殘余壓應(yīng)力，且在每齒進(jìn)給量為0.14 mm/z時(shí)，殘余應(yīng)力值變化幅度較大，此時(shí)的殘余壓應(yīng)力值也最大，即工件在此每齒進(jìn)給量下可獲得優(yōu)異性能。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)每齒進(jìn)給量為 0.10～0.12 mm/z時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，里層材料彈性變形由拉伸變形轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s變形，當(dāng)加工完成時(shí)，里層材料彈性形變的恢復(fù)受到表面材料的牽制，而出現(xiàn)由表面殘余壓應(yīng)力向殘余拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)變；當(dāng)每齒進(jìn)給量繼續(xù)增加時(shí)，刀具后刀面與已加工表面產(chǎn)生較大的擠壓與摩擦，使表層金屬產(chǎn)生拉伸塑性變形，刀具離開(kāi)后，在里層金屬的作用下，表層金屬又產(chǎn)生相應(yīng)的殘余壓應(yīng)力；當(dāng)每齒進(jìn)給量為 0.14～0.16 mm/z時(shí)，前一因素占主導(dǎo)，使得殘余壓應(yīng)力減??；而在0.16 mm/z后，二者相平衡，導(dǎo)致表面殘余壓應(yīng)力基本保持不變。

圖5b為不同每齒進(jìn)給量對(duì)表層殘余應(yīng)力的影響曲線。與圖4b相似，曲線均呈“勺”形分布。隨著每齒進(jìn)給量的增加，切削力和產(chǎn)生塑性變形的面積也在增加，且因熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力占主導(dǎo)地位，因此工件的表面殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力層深都會(huì)與之增大。由局部放大圖可見(jiàn)，當(dāng)每齒進(jìn)給量增加時(shí)，其殘余應(yīng)力曲線也隨之上升，且統(tǒng)一表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，但在0.16 mm/z時(shí)工件的殘余拉應(yīng)力值出現(xiàn)了突變，其曲線明顯高于其余進(jìn)給量，殘余拉應(yīng)力最大值為25.69 MPa。

2.3.3 銑削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖6為不同銑削深度下表面和表層殘余應(yīng)力的變化曲線。由圖6a可得，銑削深度的改變對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響并不顯著，5個(gè)參考點(diǎn)處的殘余應(yīng)力值幾乎一樣，呈直線狀。且圖6b中5種銑削深度下的殘余應(yīng)力曲線相互重疊，對(duì)其進(jìn)行局部放大后仍難觀察出差別，可得銑削深度對(duì)殘余應(yīng)力層深的分布影響也較小。究其原因：在銑削加工過(guò)程中，因變形力會(huì)隨著銑削深度的增大而增大，但變形系數(shù)卻相反，隨著銑削深度的增加而減小，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小，所以致使銑削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響較小。

3 結(jié)論

1）本文采用單因素法對(duì) 7A09鋁合金進(jìn)行了平面銑削試驗(yàn)，研究了銑削用量（銑削速度、每齒進(jìn)給量及銑削深度）對(duì)銑削表面質(zhì)量的影響，得到了表面粗糙度和殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)7A09鋁合金銑削加工表面質(zhì)量的控制具有一定的借鑒意義。

2）平面銑削試驗(yàn)中，7A09鋁合金的表面粗糙度隨銑削速度的增大和每齒進(jìn)給量的降低而得以改善，但銑削深度對(duì)表面粗糙度的影響較小。同時(shí)，因積屑瘤的存在使已加工表面出現(xiàn)一些深度和寬度各不相同的縱向犁溝。

3）當(dāng)改變銑削用量時(shí)，7A09鋁合金的殘余應(yīng)力曲線均呈“勺”形分布，且殘余應(yīng)力對(duì)銑削速度和每齒進(jìn)給量的變化都較為敏感，而對(duì)銑削深度的敏感性較低。

4）通過(guò)分析銑削用量對(duì) 7A09鋁合金銑削表面質(zhì)量的影響，得到了本文試驗(yàn)條件下的最優(yōu)銑削參數(shù)組合：vc=240 m/min，fz=0.14 mm/z，ap= 0.15 mm。